From High-Level Language to language of the hardware

Transcriptie

1 Overzichtscollege 1

2 Abstractieniveaus Een computersysteem bestaat uit een hiërarchie van lagen Elke laag heeft een goed gedefinieerde interface naar de bovenliggende en onderliggende lagen Essentieel bij de ondersteuning van opwaartse compatibiliteit 2

3 From High-Level Language to language of the hardware Hogere programmeertaal (C) for( i = 0; i == 4; i = i + 1 ) { a = a + 8; } Compiler Assembler code LOADI tmp, 4 # i 4 LOADI a, 0 # a 0 for: BEQ i, tmp, end # if ( i == 4 ) goto end ADDI i, i, 1 # i i +1 ADDI a, a, 8 # (tussen)resultaat BRA for # goto for loop end: HALT # einde programma Assembler Machinetaal 3

4 Instruction Set Architecture (ISA) Een heel belangrijke abstractie interface tussen hardware en low-level software gestandaardiseerde instructies, machinetaal, etc. voordeel: verschillende implementaties van dezelfde architectuur nadeel: werpt drempel op voor totaal nieuwe ideeën Modern instruction set architectures: IA-32, PowerPC, MIPS, SPARC, ARM, and others 4

5 Welke abstracties bestaan er op dit vakgebied? Welke lagen van de software en de hardware bestaan er? Applicatie software Systeem software Assembleertaal Machinetaal Onderwerpen over de architectuur zoals Caches, Virtual Memory, Pipelining, Dual Core Sequentiële logica, finite state machines Combinatorische logica en rekenschakelingen Logische poorten, aangestuurd door nullen en enen Transistoren om poorten samen te stellen (CMOS) Halfgeleiders om transistoren te bouwen Eigenschappen van halfgeleiders (atomen, elektronen etc.) 5

6 Welke abstracties komen in deze cursus aan bod? Welke lagen van de software en de hardware komen aan bod? Applicatie software, nee Systeem software, nee Assembleertaal, ja, hoofdstuk 3, 7, 8 en 9. Machinetaal, ja, hoofdstuk 3. Onderwerpen over de architectuur zoals Caches, Virtual Memory, Pipelining, Dual Core nee. Sequentiële logica, finite state machines, ja, hoofdstuk 5 en 6. Combinatorische logica en rekenschakelingen, ja, hoofdstuk 2, 4 en 6. Logische poorten aangestuurd door nullen en enen, ja, hoofdstuk 1. Transistoren om poorten samen te stellen (CMOS), ja alleen de basis. Halfgeleiders om transistoren te bouwen, nee Eigenschappen van halfgeleiders (atomen, elektronen etc.), nee 6

7 De revolutionaire ontwikkeling van de processor Sneller, sneller en... nog veel sneller Er was, is en blijft een vraag naar steeds snellere computers. Enkele voorbeelden: Intelligentere programma s (b.v. spraakherkenning) Multimedia Spelletjes Wetenschappelijke toepassingen Medische toepassingen etc. Waardoor werden en worden computers steeds sneller? 7

8 Prestatieverbeteringen van processoren Door technologie Meer transistoren op hetzelfde oppervlak Hogere klokfrequenties Minder warmteontwikkeling Door verbeteringen van de architectuur Pipeline Cache Meer processoren Compilers 8

9 Meer transistoren: Wet van Moore Het aantal transistors op een computerchip wordt elke 18 maanden *** verdubbeld. De voorspelling werd in 1965 gedaan door Gordon Moore, één van de oprichters van chipfabrikant Intel. De wet geldt tot op de dag van vandaag (2009). Zal in de toekomst de technologische vooruitgang langzamer gaan verlopen? Voorlopig niet maar na 2020 wel!! Reden: fundamentele fysische barrières. *** 9

10 Bron afbeelding: Wikipedia 10

11 Intel 4004 (1971) 2250 transistors 11

12 Intel Pentium 4 Prescott (2004) transistors 90 nm technologie 0,1 micrometer transistors 12

13 De grootte van één transistor in 2004: 90 nanometer 90 nm 0,01 µm De grootte van één transistor in 2009: 45 nanometer 13

14 Hogere klokfrequenties Computerklok X-tal oscillator 3 Volt 0 Volt Tijd 1 1 Stel :f = 100 Hz periodetijd (t) = = = 0,01sec f 100 Computerklok X-tal oscillator 3 Volt 0 Volt 0,01 seconde Tijd 14

15 Klokfrequentie 1 1 Stel :f = 100 Hz periodetijd (t) = = = f 100 0,01sec Computerklok X-tal oscillator 3 Volt 0 Volt 0,01 seconde Tijd 15

16 Hogere klokfrequenties 4 GHz 16

17 Iedere computer heeft een klok Waardoor wordt de frequentie f van deze klok bepaald? Wat is de propagatietijd van een poort/schakeling/processor? Stel de totale propagatietijd t p voor het uitvoeren van één instructie is 0,25 ns Wat is dan de klokfrequentie f? f 1 t 1 0,25*10 = = 9 p = 4*10 9 sec = 4 GHz 3 Volt 0 Volt 0,25 ns Tijd Limitatie: Lichtsnelheid = km/sec. In 0,25 ns legt het licht 7,5 cm af 17

18 Verwachte energie verbruik in

19 Spanning 3 Volt Energieverbruik en klokfrequentie Klokfrequentie (f): 4 GHz = 4 * 10 9 Hz Er loopt alleen een stroom tijdens het schakelen van de transistoren. Stroomverbruik 0 Volt Geen stroomverbruik Tijd Vermogen (Watt) = Stroom * Spanning = I * U Energieverbruik = Vermogen * tijd (Watt sec) U * t R Energieverbruik = (Watt sec) 2 19

20 Energie verbruik in 2009 Pentium Dual-Core T4200 P; 45 nm; 2 GHz; 35 W 20

21 Prestatieverbeteringen van processoren Door technologie Meer transistoren op hetzelfde oppervlak Hogere klokfrequenties Minder warmteontwikkeling Door verbeteringen van de architectuur Pipeline Cache Meer processoren Compilers 21

22 Tijd (min) Trein nr. Principe van pipelining Methode om meer instructies tegelijkertijd uit te voeren Voorbeeld: Baanvak Amsterdam CS Utrecht CS Er kan slechts één trein op het baanvak rijden CS- Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 2 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 3 CS-Amstel Een trein op baanvak Amsterdam CS Utrecht CS Hoe lang doen 10 treinen over het hele traject? 22

23 Pipelining Methode om meer instructies tegelijkertijd uit te voeren Voorbeeld: Baanvak Amsterdam Utrecht bestaat uit 4 baanvakken: Amsterdam CS Amstel; Amstel Abcoude; Abcoude Breukelen en Breukelen Utrecht CS. Tijd (min) Trein nr CS- Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 2 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 3 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 4 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 5 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 6 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht Vier treinen op de diverse baanvakken Hoe lang doen 10 treinen over het hele traject? 23

24 Pipelining. Methode om meer instructies tegelijkertijd uit te voeren Voorbeeld: Baanvak Amsterdam Utrecht is onderverdeelt in 4 baanvakken Tijd (min) Trein nr CS- Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 2 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 3 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 4 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 5 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht 6 CS-Amstel Amstel- Abcoude Abcoude- Breukelen Breukelen- Utrecht Treinen op diverse baanvakken 4 baanvakken: ( ) * 6 = 78 min. 1 baanvak: 10 * 4 * 6 = 240 min. 24

25 Pipelining Last processor without pipelining was in 85 C ontrol Control I/O interface Instruction cache Enhanced floating point and multim edia Control Data cache Integer datapath Secondary cache and memory interface Advanced pipelining hyperthreading support Control Pentium 4 25

26 Processor-Memory Performance Gap 26

27 27

28 28

29 Multi core machines The number of processors on a chip and number of hardwaresupported threads per processor on current processors. 29

30 E6750 dual-core processor (Intel) Bron afbeelding: Wikipedia 30

31 Toename prestaties van computers sinds 1978 t.o.v. VAX 11/780 31

32 Toekomstbeeld: Waar valt nog flink vooruitgang te boeken en waar niet? Beperkte vooruitgang (huidige) siliciumtechnologie door fysieke limitaties: Kloksnelheid (lichtsnelheid) Component-grootte gelimiteerd (b.v. enkele atomen) Beperkte verbeteringen bestaande architectuur Behoorlijke vooruitgang vermindering energiegebruik (door research t.b.v. draagbare apparatuur). Flinke vooruitgang: Parallellisme! Multi core 32

33 Snelste computer van Nederland in 2005 ANP: Minister van der Hoeven (Onderwijs) heeft dinsdag in Groningen de snelste computer van Europa officieel in gebruik gesteld. Het door IBM ontwikkelde systeem vormt het kloppend hart van het grootste sensornetwerk ter wereld (LOFAR), dat op dit moment in Noord- Nederland in ontwikkeling is ( kleine antennes). In totaal neemt de computer slechts 6 vierkante meter ruimte in beslag Processors staan garant voor een enorme rekenkracht van 27,4 biljoen berekeningen per seconde berekeningen per seconde. 33

34 Toekomst Algemeen wordt verondersteld dat de wet van Moore tot zeker 2020 doorgaat. 34

35 Zo begon het ENIAC built in World War II was the first general purpose computer Used for computing artillery firing tables 80 feet long by 8.5 feet high and several feet wide Each of the twenty 10 digit registers was 2 feet long Used 19,000 vacuum tubes Performed 1900 additions per second 35

36 Programmeren van de ENIAC 36